温度对催化燃烧式气体传感器影响研究

牛小民，李世伟，张广来，高磊，张艳鹏（河南汉威电子股份有限公司，郑州　450000）

温度对催化燃烧式气体传感器影响研究

牛小民，李世伟，张广来，高磊，张艳鹏
（河南汉威电子股份有限公司，郑州450000）

0　引言

气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器日渐发展，其应用的范围越来越广，特别是在环境质量检测和工业生产过程安全检测、保障人民的生命安全等方面越加广泛。催化燃烧式气体传感器由于其自身应用面广、体积小、结构简单、稳定性好的特性，对于可燃性气体的检测有显著的优势。

1　催化燃烧式气体传感器

1.3催化燃烧式气体传感器的基本工作方式

催化燃烧式气体传感器主要是由接触燃烧催化载体和感温元件铂丝螺旋圈制成的。其基本工作方式为：在一定的条件下（温度），被测可燃性气体到达传感器表面与吸附氧发生剧烈的无焰燃烧反应，放出大量的热，导致感温线圈电阻发生变化，通过检测感温线圈电阻的变化实现对气体的检测，由于环境温度的变化也会引起感温线圈电阻的变化，因此，元件通常配对使用，其中一只为补偿元件（白元件）对气体无反应，另一只为检测元件（黑元件）可与气体发生反应，白元件用以抵消（补偿）环境因素带来的影响。当传感器周围的温度、湿度、压力发生变化时，检测元件和补偿元件的电阻几乎会发生同步变化，可有效抵消环境因素带来的影响。

图1　催化燃烧式气体传感器催化珠结构

1.2催化燃烧式气体传感器的基本工作原理

基本工作原理说明：催化燃烧式传感器一般应用于检测可燃气体的仪器。这是一个惠斯通电桥的结构，在它的测量桥铂金丝电桥上涂有催化燃烧物质，在整个的测量过程中是不被消耗的，即使在空气中气体和蒸气浓度远远低于LEL时，它们也会在这个桥上发生催化燃烧反应。测量时，要在参比电桥和测量电桥上施加电压使之加热从而发生催化反应，这个温度大约是500℃或者更高。正常情况下，电桥是平衡的，V1=V2，输出为零。如果有可燃气体存在，它的氧化过程会使测量桥被加热，温度增加，而此时参比桥温度不变。电路会测出它们之间的电阻变化，V2＞V1，输出的电压同待测气体的浓度成正比。

图2　催化燃烧式气体传感器工作原理图

2　催化传感器温度补偿

环境温度的变化会影响传感器的热平衡，这就造成在不同温度条件下的检测值的误差，针对这种情况，进行了大量的实验，积累了温度对于催化传感器输出信号影响的数据，从而通过软件算法的设计，对温度所引起的误差进行补偿。具体算法流程如下图：

图3　催化燃烧式气体传感器温度补偿算法流程图

如图所示，首先需要积累不同温度下传感器浓度值变化的特征数据，在其他探测器上进行使用时，首先读取传感器周围环境的温度，然后根据温度值，调取对应的浓度补偿值，将温度补偿值与实际的测量值进行相加，从而显示出准确的浓度值。

3　实验分析

为了对催化传感器受温度影响进行测试，取某型号测CH4的催化燃烧式气体传感器10个，安装在某企业生产的气体探测器上，分别将其编号为1到10号。在20%LEL、60%LEL浓度CH4时，气体1到10号气体探测器在有无温度补偿算法时不同温度下10个探测器的浓度平均值如下图所示：

图4　催化燃烧式气体传感器不同浓度下有无温度补偿对比

由上图可知，在20%LEL和60%LEL时，有无温度补偿时，使用催化燃烧式气体传感器对气体进行检测时，在常温下没有太大的差别，但在低温和高温时的差别最高可以达到50%。

4　结语

由实验结果可知，催化燃烧式气体传感器在使用过程中受温度的影响比较大，特别是其用于气体探测器时表现的非常明显，对于催化燃烧式气体传感器受温度影响的研究对于探测器的设计有很好的指导意义，能够很大程度上提高气体探测器的检测精度。在未来的工作中，将进一步对催化燃烧式传感器的性能进行研究，提高使用其他类型传感器检测的精度。

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Catalytic Combustion；Gas Sensor；Temperature；Combustible Gas

Research on the Influence of Temperature on the Catalytic Combustion Gas Sensor

NIU Xiao-min，LI Shi-wei，ZHANG Guang-lai，GAO Lei，ZHANG Yan-peng
（Henan Hanwei Electronics Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000）

1007-1423（2015）27-0003-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.001

牛小民（1982-），男，河南济源人，大专，研究方向为气体检测仪器仪表、传感器应用研究

李世伟（1989-），男，河南鲁山人，研究生，助工，从事领域为电子类产品开发、无线传感器网络研究以及气体探测器类产品开发

张广来（1982-），男，河南南阳人，本科，助工，电子工程师

高磊（1982-），男，河南郑州人，本科，助工，电子工程师

张艳鹏（1975-），男，河南郑州人，本科，助工，电子工程师

2015-09-12

2015-09-22

在使用催化燃烧式气体传感器进行可燃气体探测器设计时需要对传感器的特性进行研究，基于温度对气体浓度的影响，对不同温度条件下传感器的特性进行研究，通过大量的实验分析，得出不同温度条件下传感器的特征数据，对特征数据进行提取和分析，在此基础上通过软件对传感器进行温度补偿。实验表明，补偿后的气体探测器能够更准确地实现对气体浓度的检测。

催化燃烧；气体传感器；温度；可燃气体

Study the characteristics of the sensor is needed when the gas detector is designed with catalytic combustion type gas sensor.The effect of temperature on the gas concentration based on the characteristics of the sensor at different temperatures are studied by a large number of experimental analysis，come to different characteristic data of the sensor at temperatures of feature data extraction and analysis.On the basis，makes temperature compensation for the gas sensor with software.Experiments show that，the compensated gas detectors can achieve more accurate detection of gas concentrations.